艦船通信系統電磁干擾與干擾抑制

柯俊霄

(四川托普信息技術職業學院，四川 成都611743)

0 引 言

現代艦船裝配著越來越多的先進電子通信設備，這些設備勢必會搶占有限的空間和頻譜，當若干設備同時工作時必然會產生電磁干擾(EMI)。電磁干擾主要包含電磁干擾源、耦合通道和敏感設備3個基本要素［1］。為了能夠確保艦船通信系統正常運行，必須研究和抑制電磁干擾問題，以實現艦船各設備間的電磁兼容［2］。當艦船各通信設備處于同一電磁場環境下，并能共同完成各自功能時便有效地實現了全艦電磁兼容，即設備不會因其他設備所產生的電磁輻射使自身的使用性能產生不允許的降級。

1 艦船電磁干擾的危害

在惡劣的電磁場環境下，電磁干擾對艦船的通信能力產生了巨大損傷，一方面會造成傳送信息的泄露，另一方面會降低電子設備的使用性能，使得系統不能夠正常工作，會危及艦船安全系統，造成艦船損壞甚至人員傷亡。隨著科學技術的不斷發展，艦船電子設備越來越多的采用復合材料，所產生的電磁干擾現象日趨嚴重。干擾類型主要有同頻干擾、鄰域干擾、帶外干擾、阻塞干擾和互調干擾［3］。當前艦船電磁干擾的危害十分嚴重，主要有以下3個方面:

1)降低通信系統的功能指標

電磁干擾會使得語音系統中語音信號產生嚴重失真［4］。在EMI的影響下，圖像顯示系統會發生模糊現象或者產生顯示錯誤;在數字通信系統中，電磁干擾會降低系統信號傳輸的可靠性和有效性。

2)造成誤指向、誤動作、誤燃和誤報等損害

EMI 使得通信電子設備的正常工作受到干擾，例如定向天線接收信號后會造成誤指向和誤動作嚴重后果;在易燃區內，由于EMI 造成的強電磁場會產生感應電壓引發誤燃。

3)產生電磁輻射損傷、電磁泄密和暴露

人員暴露在電磁輻射下會嚴重損傷組織器官;電子設備產生的電磁輻射在產生干擾的同時，還會泄露信息;艦船電磁干擾容易使得艦船的地理位置信息暴露。

2 艦船電磁干擾抑制

為了有效抑制電磁干擾，在設計艦船通信系統時，要綜合分析和研究電磁干擾的干擾源、耦合通道和敏感設備這3個基本要素，以實現全艦的電磁兼容。電磁干擾抑制措施如下:

1)在設計艦船的收發天線時，為避免天線間的耦合干擾，應合理選擇不同特性的天線以減少天線的使用數量，設法增大大功率天線間的空間距離，分開布置天線收發區，將頻段不同的天線配置帶通濾波器。另外，為避免天線和周圍金屬產生耦合干擾，布置天線時應盡量遠離金屬器件，以使得天線方向的畸變盡可能減小。

2)通常情況下，艦船甲板上的各種金屬設備會形成非線性連接，從而產生互調電磁干擾，干擾電子設備的正常工作頻率。所以要增加金屬構件的活動電氣連接，減少使用暴露艦船外部的金屬設備，而對于分布在艦船天線附件的器件盡可能的避免使用金屬構件。研究發現采取以上措施，在很大程度上降低了非線性連接產生的電磁干擾。

3)采用接地措施能有效地避免艦船電磁干擾，可分為安全接地和電磁兼容接地。安全接地是為了避免電子設備絕緣平衡被破壞后人員觸電事故，電磁兼容接地通過流放感應電荷，為艦船通信系統設置了參考電位，有效地抑制了電磁干擾。同時要定期測試接地電阻避免接地不良。

4)在艦船整體設計時，要提高造船技術，選擇抗噪聲性能好的電子設備，統一分析和研究電磁兼容的相關問題，綜合分配電磁頻率，避免因頻率分配不合理而導致艦船電子設備間的電磁干擾［5］。

5)在對電纜進行敷設時，必須根據電纜傳輸能量的多少以及工作頻率，按照國家電纜敷設標準對電纜作相應設計，并定期進行檢測，以保證電纜的工作性能。

總之，在抑制艦船通信系統電磁干擾時，要根據實際情況選取相應的抗干擾措施，以便實現全艦電磁兼容。

3 艦船電子設備電磁兼容仿真

抑制艦船電子通信系統中的電磁干擾問題越來越受到關注，從而使電磁兼容仿真也成為抑制干擾的重要步驟。實際電子設備組成復雜，含有PCB板和各種器件，如果直接根據設備建模，過程會過于繁瑣，計算量很大，甚至會使仿真結果失真，因此在電子設備電磁仿真過程中可以簡化設備模型，來減小建立仿真模型的速度和計算量。簡化規則主要有:1)在建模時，某些和屏蔽性能無關的器件可以不出現在模型中;2)電纜性能具有隨機性，其屏蔽效能不確定，可作忽略處理;3)對屏蔽效能影響微小且處在不重要位置處的小器件也可忽略。進行電磁兼容仿真時，對屏蔽效能進行仿真，則屏蔽效能的大小表征了抵抗電磁干擾能力的強弱。

3.1 復雜設備模型的電磁兼容仿真

將CPU的周圍電路、南北橋芯片、顯卡作為輻射源，建模時將電子設備的器件盡可能保留。在計算機工作平臺上對設備模型進行仿真，實驗仿真頻譜范圍設置為50～1 050 Hz (步長50 Hz)，計算精度值0.02，迭代50 次。設定設備仿真模型定義域為5.25 m×3.25 m×5.25 m，單元網格數為109 721個，則復雜設備模型的網格如圖1所示。進行建模仿真時，Eh為通風板前2 cm 處的場強，Eq為設備無外板后對應的場強，則設備的屏蔽效能為SE=，所測屏蔽效能數據如表1所示。

3.2 簡化設備模型的電磁兼容仿真

按照電子設備的實際結構建模會耗費精力，通過簡化模型可以大大提高仿真效率。按照簡化規則對設備進行簡化建模，劃分單元網格數為81 675個，實驗步驟和復雜設備模型的仿真相同，所得屏蔽效能測量數據如表2所示。

圖1 復雜設備的網格模型Fig.1 Grid model of complex equipment

表1 電子設備復雜模型的屏蔽效能仿真數據Tab.1 The simulation data of shielding effectiveness of the complex model of electronic equipment

表2 電子設備簡化模型的屏蔽效能仿真數據Tab.2 The simulation data of shielding effectiveness of the simplified model of electronic equipment

3.3 兩模型仿真結果比較分析

兩電子設備模型的仿真環境和步驟均相同，2次電磁兼容仿真實驗設備的網格數、劃分網格所花費的時間和仿真所用時間如表3所示。將復雜和簡化模型的電磁兼容仿真結果繪制成曲線變化圖，結果如圖2所示。

表3 設備復雜和簡化模型測試數據對比Tab.3 The comparison of the simulation data of the complex and simplified equipment model

根據表3 發現，簡化模型的計算量是復雜模型的37.8%，復雜模型仿真所耗時間比簡化模型多了338 min 58 s，簡化模型仿真節省了大量人力和物力，縮短了電磁兼容仿真建立模型的時間，提高了仿真速度。從圖2 可發現，在整個頻段上2 種模型的屏蔽效應結果相差很小，所以用簡化模型能有效地仿真電子設備的屏蔽性能。

圖2 兩設備模型屏蔽效能仿真結果Fig.2 The simulation results of shielding effectiveness of the two equipment models

4 結 語

艦船通信系統的電磁干擾危害日趨嚴重，所以要深入研究和抑制電磁干擾，進行電磁兼容仿真實驗來實現全艦電磁兼容。從論文中電磁兼容仿真實驗可以發現，復雜設備模型仿真耗費大量人力物力，計算量很大，而簡化模型仿真能準確快速地仿真設備的電磁兼容性能，所以簡化模型是抑制電磁干擾和測試設備屏蔽效能行之有效的方法。總而言之，簡化模型仿真結構簡單，速度快，效率高，較復雜模型仿真實驗有很大的優勢。

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